火力发电厂电能监测平台的建设

摘要:发电厂作为电能转化企业,既是电力的生产者,也是电力的需求侧。电能监测平台是应用物联网技术和智能电网理念,结合现代电力需求侧电能管理思想,为电力用户构建的电能管理系统。文章介绍了宁夏京能宁东发电有限责任公司电能监测平台的建设背景、平台架构、能效管理模式及产品解决方案。
    关键词:电力需求侧管理;电能监测平台;辅机单耗;厂用电率
 
    电力需求侧管理(Power Demand Side Management,DSM)指在政府法规和政策支持下,采取有效的激励和引导措施以及适宜的运作方式,通过电网企业、能源服务企业、电力用户等共同协力,提高终端用电效率和改变用电方式,在满足同样用电功能的同时减少电力消耗和电力需求,为达到节约资源和保护环境,实现社会效益最优、各方受益、成本最低的能源服务所进行的管理活动。发电厂作为电能转化企业,既是电力的生产者,也是电力的需求方;以2013年度为例,宁夏京能宁东发电有限责任公司(以下简称宁夏京能电厂)全年发电量为75.02亿kWh,尽管厂用电率4.95%,但是耗电量仍高达3.69亿kWh(相当于中型钢厂的年耗电量规模)。
    电能监测平台作为电力需求侧管理推进的一个重要元素,尤其在耗能工质主要为电的企业,它的应用无可替代,其主要应用物联网技术和智能电网理念,结合现代电力需求侧管理思想,构建的电力ERP系统,是“两化融合”的典型产物。
    宁夏京能电厂电能监测平台一方面实现与自治区电能监测平台的对接,实现为政府在区域的能源优化,节能调度等方面提供实时监测数据,作为宏观层面的决策支撑;同时厂级平台根据现场实际情况,实现企业级需求,将厂用电率能效管理的理念融入其中,开发了厂用电率分析系统、辅机设备单耗分析系统及电能平衡分析系统,实现厂用电精细化管理,降低厂用电率。
    一、国内外电力需求侧管理的应用现状
    电力需求侧管理的提出是与电力产业的技术特征精密相连的。1981年美国学者C.W.Gellings第一次提出DSM的思想,它改变了传统规划中单纯以供应满足需求的思路,将需求侧节约的电力和电量也作为一种资源,供方与需求方两种资源综合比较,按最小费用的原则寻求最优方案,使其产生最大的社会效益及经济效益。目前DSM已成为国际上先进的能源管理活动和发达国家可持续发展的重要手段,在法国、德国、韩国、美国、加拿大、意大利等30个国家和地区取得了成功实施,并越来越受到关注。国际能源署(IEA)2004年报告显示,发达国家自石油危机以来,通过实施DSM等多项措施,使单位GDP能耗降低了约50%。如2000年美国人均一次能源消费量与1973年几乎相等,但人均GDP却增长了74%,节电537亿kWh,减少高峰负荷2200万kW。法国通过引用电力负荷监控等DSM措施,日负荷率有73%提高到85%左右,相应的减少发电容量1900万kW。
    我国在上世纪90年代末开展电力需求侧管理,目前江苏、宁夏、河北建立了省级平台,以电力需求侧管理开展较早的江苏为例,电力需求侧管理平台已覆盖全省 18万家企业、可控负荷4000多万kW。根据江苏省电力公司对其开展的能效电厂项目统计,2011-2013年完成43.8亿kWh节约电量,取得显著节电效果。
    二、电厂电能监测平台结构设计
    平台由三个部分组成:一是数据采集单元;二是数据存储处理单元,是系统的核心部分;三是数据发布单元。


    数据采集单元由分布在客户配网中的数据采集装置组成,采集到的用能数据经过传输,转换,存储到数据存储处理单元。采集单元由SIS系统数据集成及电能质量监测系统两部分级成。SIS系统数据集成是通过SIS系统采集发电量、厂用电量、煤耗、锅炉效率等指标数据。电能质量监测系统通过电能质量监测仪表采集主要用电设备及供电线路的电能质量数据。
    数据存储处理单元是系统的核心,基于高速实时数据库技术,数据存储模块负责存储各类客户数据和系统数据以及数据处理结果。数据处理模块负责数据处理模块是在采集的海量基础数据之上,满足需求侧管理功能进行的数据计算,加工等二次处理,如基本报警,同比,环比,峰谷平值,不平衡度等。数据处理实时进行,一旦检测到数据超过预置条件,立即触发报警。数据处理模块提供的报表可按照用户的自定义条件定时生成。
    主要工作内容及程序如下:


    数据发布单元是整个系统与用户的人机交互界面,是系统功能的最终体现。数据发布单元严格基于B/S架构,用户无需安装任何软件,包括浏览器插件,即可通过浏览器管理电能管理信息,同时系统支持智能手机,平板电脑访问。数据发布单元有严格的授权系统,任何未经授权的访问将被拒绝。
    三、平台功能设计
    1、与省/区级平台对接的功能设计:电能监测平台不仅需要实现电厂自身厂用电的管理,同时实现政府在区域用电综合管理,节能调度的作用。平台设计数据筛选、加密、上报系统,原始数据直接采集到厂级电能管理平台,厂级电能管理平台对数据处理后,将政府监管所需要的数据按照自治区电能监测平台数据格式要求打包,开发对接功能模块,将数据上传。
    2、电能监测基本功能设计:平台基本功能包括电力监测、电能质量监测和厂用电量监测。电力监测功能实时统计监测厂用电系统的电力数据,主要用电设备(包括关键用电设备)的电力数据,数据类型包括电流、电压、频率、有功功率、无功功率等,并以图表及实时运行图等可视化方式呈现。电能质量监测功能实时统计监测厂用电6kV段的电能质量数据,数据类型包括谐波畸变率,三相不平衡度等。电量监测功能实现日、月、年各设备及厂用的系统峰谷平时电量的统计对比。

    3、性能计算及预警功能设计:此项功能是电力需求侧管理在电厂引用的重点内容,通过用电数据和厂用电煤耗、水耗等其他能源数据的集成,建设厂用电平衡模块,辅机耗能分析模块和耗电率分析模块。


    四、项目实施主要注意的几点问题
    1、系统运行安全问题:电厂内的DSC系统是专门为工业环境而设计的监控装置,由于它直接与现场的I/O设备相连,外来系统很容易通过电源或接口对其产生信号干扰,同时电厂大量的电气设备构成复杂的电磁环境,所以电厂的电能监测系统的抗干扰处理非常重要。抗干扰处理要实现电能监测系统不受其他系统的干扰,更不能对电厂的其它信息化系统和设备产生干扰。电能监测终端采集装置选用国外先进的电能质量监测仪,出厂经过严格的电磁干扰测试,同时此监测仪在国内的各大电厂、电网公司均有使用,抗干扰能力能够达到电厂使用要求。电能监测平台服务器安置在电厂专用的电子间,服务器安装屏使用防干扰屏蔽式设计。数据传输全部采用有线传输方式,通讯前置机与平台服务器采用光纤进行数据传输。
    2、数据传输方式选择:厂级电能监测系统在数据传输中需要经过多次隔离,保证数据传输的安全性,但经过多次隔离会影响数据的实时性。经过多次研究,最终选定数据通过SIS系统数据出口与平台服务器进行对接采集,所需的相关数据通过SIS系统进行采集补全。厂级电能监测系统的数据发布需先经过数据打包、加密,再经过电厂统一的防火墙系统,然后上传到自治区电能监测平台。
    3、实时数据分析:电厂的厂用电系统平衡计算涉及全厂的用电设备基础数据采集,能耗分析不仅涉及到设备的用电数据,同时需要整合电厂的煤耗、水量、氧量、热量等数据。数据信息量大,运行公式复杂,数据报表准确度、实时性要求高。电能监测平台对厂用电率、锅炉效率、热耗率进行分类设备数据关联,在平台架构设计之初,就要考虑到大数据的实时性,研发数据存储与转发引擎和内存实时数据库技术,减少了数据库的运行压力,提高了数据的实时性,数据刷新周期可达到5s以内。
    4、与SIS接口开发:SIS系统对外传输接口为非标准化私有协议,无法通过现有的标准协议驱动配置采集,这在数据采集中是一个难点,现有的标准的OPC,MODBUS通用协议转化网关也没有相应协议选项,为此定制开发了SIS系统接口数据采集驱动,实时采集测点数据。
    5、大数据下的数据检索问题:由于经常长期运营后,数据库数据庞大,在后期报表生成过程中,如果检索方式不得当,很容易造成系统运行缓慢甚至停机,为了解决这一问题,宁夏京能电厂电能监测平台数据库采取了集群数据库理念,将定期归档按时间戳分解数据库,后期当使用历史数据库时同样按时间戳检索,这样提高了检索效率,降低了系统压力。
    五、平台创新性
    1、将能效管理思想融入到电能监测平台。传统的电能监测平台主要功能在于对电力用户情况的全面采集和监测,电厂的信息化水平走在工业行业的前面,厂内已建成的信息系统包括SIS、ECS、DCS均实现对各类能耗的全面监测功能。电能监测平台融入了能效管理的思想,建设厂用电平衡模块,辅机耗能分析模块和耗电率分析模块。厂用电系统平衡是电厂一直重点关注的项目,以前需要人工进行数据统计、汇总,数据的实时性差、误差大,且现场工作量大,电能监测平台开发专门的平衡分析软件,自动整合数据,实时显示厂用电系统平衡图,提高了数据准确度,减轻了现场的工作量。辅机耗能分析是电厂控制厂用电率的重要手段,每月均需要现场进行数据统计处理,在发送给各个负责人,电能监测平台根据设定的周期进行数据的同比、环比。
    2、预警功能与专家分析系统结合。电能监测平台将线上设备预警功能与线下专家分析团队相结合,形成独特的专家分析系统。平台对厂用电系统可能出现的异常报警事先分析录入,当用电设备出现异常报警,系统自动提示报警并提示预先录入的原因及可能引起的异常,供现场进行排查,当现场排场与提示信息不吻合,立即启动线下专家分析,通过分析找出原因并录入系统,实现系统的自学习,为下次预警提供信息提示。
    六、成果推广
    宁东发电电能监测平台,实现了全厂电能数据监测、厂用电6kV进线电能质量监测,四级能源管理体系建设、设备单耗分析、厂用电平衡分析、电能异常报警、报表自动生成的数字化、可视化,实现了发电厂厂用电管理的专业化、标准化、精细化。同时将数据上报到自治区电力服务网平台。宁东电厂电能监测平台作为全国首家实施电力需求侧管理项目的发电企业,建设电厂首套标准化的电能监测平台,实现了对电厂厂用电系统的精细化管理,也对政府主管部门对电力企业集中,统一信息化管理起到了示范作用,即满足了发电企业的在电力需求侧管理的个性化应用,又满足了政府的监管需求,得到主管部门的认可和好评。在宁东电厂的成功经验将逐步推广到自治区其它电厂,同时将监测目标扩展至水,煤等耗能工质,应用前景广阔,下一步推广可以分三阶段进行:
    第一阶段:电能监测平台推广至自治区其它电厂。按照自治区政府在电力需求侧管理工作中的鼓励优惠政策,发电企业自身对用电精细化管理,节约发电能耗也有迫切的需求,宁东电厂在电能监测平台已经有成功的经验,本系统在应用过程中根据厂里的实际情况也得到了不断的改进,在这几方面的契合下,第一阶段将把电能监测平台推广到自治区的其它电厂,为第二阶段积累大数据分析做准备。
    第二阶段:各电厂积累监测数据到一定阶段后,对各电厂在统一平台上进行大数据的分析。在多家电厂建立电能监测平台后,数据集中报送至自治区电力服务平台,这样各家电厂电力数据都汇集在一个统一平台上,为进行大数据分析创造了条件。目前各家电厂虽都有和电力相关的信息化系统,如厂级实时监控信息系统(SIS),分布式控制系统(DCS),电气控制系统(ECS),各系统都与厂用电有关,但又不侧重于厂用电,并且各平台是单独系统,数据虽然经过多年积累,但数据可用性,利用率不大,难以在统一平台上进行大数据分析。在统一平台上,数据格式统一,可以对各家电厂进行对比分析,经过半年到一年的数据积累,初步具备大数据分析的数据基础,通过挖掘分析,政府在监管层面对各家电厂做出指导,提出改进意见,电厂根据反馈的专业意见并结合自已的实际情况,组织专家会诊,确定解决方案,最终实现节能减排目标。
    第三阶段:将电力监测应用经验推广到用水,用煤等能源,建立企业级能源管理中心。
    火电企业作为高耗能企业,在电能监测平台应用方面有其固有的特殊性,作为企业能耗管理的“CT机”,如果应用得当,将大大提升电厂的精细化管理水平,为企业进一步节能减排工作提供有力保障,其经济效益和社会效益都将非常显著,希望通过宁夏京能电厂的电力需求侧管理试点工作经验,对国内其它发电企业的下一步节能工作有所借鉴。